[论文精品]步进电机调速课程设计.doc

目 录第一章 概述 2 1.1 单片机简介 2 1.2步进电机简介 2第二章 设计目的与要求 3 2.1设计目的 3 2.2设计要求 3第三章 硬件电路设计 4 3.1程序流程图 4 3.2硬件电路图 5 3.3系统工作原理 6 3.4功能说明 6第四章 软件设计 7 4.1 C语言程序 7第五章 总结与体会 26第六章 参考文献 27· 概述1.1单片机简介单片机是单片微型计算机的简称，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。1.2步进电机简介步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变步进电动机的转速。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1.3步进电机工作原理一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号可以由单片机产生。电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：(图2所示)图1 是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。一、单三拍通电方式的基本原理设A 相首先通电（B、C 两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S 极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（图3a）；接着B 相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C极对齐（图3c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按ACBA的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。二、六拍通电方式的基本原理设A 相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（图4a）。然后在A 相继续通电的情况下接通B 相。这时定子B、B极对转子齿2、4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图4b 所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A 相断电，B 相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d 所示。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。三、双三拍通电方式的基本原理如果每次都是两相通电，即按A、BB、CC、AA、B的顺序通电，则称为双三拍方式，从图4b，和图4d 可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角 可用下式计算：360°/Zr×m式中Zr 是转子齿数；m 是运行拍数。一般步进电动机最常见的步距角是3°或15°。由上式可知，转子上不只4 个齿（齿距角90°），而有40 个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6 个极以外，在每个极面上还有5 个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图5 所示。由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。四、步进电动机的驱动电源步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。四、步进电动机的驱动电源步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。1、对驱动电源的基本要求（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要；（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；（3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；（4）工作可靠，抗干扰能力强；（5）成本低、效率高、安装和维护方便。2、驱动电源的组成步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图6 所示。第二章 设计目的与要求2.1设计目的通过具体小型测试系统设计，实践单片机系统设计及调试的全过程，以加深对单片机内部结构、功能和指令系统的理解，并进一步学习单片机开发系统的应用及一些外围芯片的接口和编程方法，初步掌握单片机系统的硬件、软件设计技术及调试技巧。2.2设计要求1.由一个总开关按钮控制步进电机的启动和停止，并由一个LED灯指示电机状态，亮表示电机运转；灭表示电机停止。2.由一个按钮选择电机正转或反转，并由两个LED灯指示电机旋转状态，其中一个亮表示正转，另一个亮表示反转。3.由三个按钮实现三级调速功能，分别对应低速、中速、高速模式，并由三个LED灯指示电机速度模式。第三章 硬件电路设计3.1流程图3.2硬件电路图(运用Proteus7.5sp3制作电路图)3.3系统工作原理本系统由单片机主电路、步进电机及其驱动电路、开关键控制电路、步进电机状态显示电路几部分组成。单片机的P0口与开关电路相连，P2口与LED指示灯相连，P1口与步进电机相连。工作时，CUP根据程序对来自P0口的瞬时值进行分析和处理，并决定将要采取的控制行为。根据得出的控制决策适时地向P1口和P2口输出相应信号，然后通过驱动电路，转换成对步进电机的控制信号。 3.4功能说明· “总开关”控制电源通断。只闭合“总开关”，电机并不转动，“电源指示灯”亮；断开“总开关”后电机停止转动，“电源指示灯”灭。· “正转开关”闭合后电机正转，“正转指示灯”亮。· “反转开关”闭合后电机反转，“反转指示灯”亮。· “慢速开关”闭合后电机慢速旋转，“慢速指示灯”亮。· “中速开关”闭合后电机中速旋转，“中速指示灯”亮。· “快速开关”闭合后电机快速旋转，“快速指示灯”亮。第四章 软件设计（运用Keil uVision3运行程序）4.1 C语言程序#include "reg52.h"sbit F1 = P10;sbit F2 = P11;sbit F3 = P12;sbit F4 = P13;sbit kaiguan = P00;sbit zhengzhuan = P01;sbit fanzhuan = P02;sbit mansu = P03;sbit zhongsu = P04;sbit kuaisu = P05;sbit chaokuaisu = P06;sbit kaiguanLED = P20;sbit zhengzhuanLED = P21;sbit fanzhuanLED = P22;sbit mansuLED = P23;sbit zhongsuLED = P24;sbit kuaisuLED = P25;sbit chaokuaisuLED = P26;unsigned char ZZ4 = 0x01,0x02,0x04,0x08;unsigned char FZ4 = 0x08,0x04,0x02,0x01;/延时子程序void delay(unsigned int t) unsigned int k; while(t-) for(k=0; k<80; k+) ; /正转子程序void prun()unsigned int i;zhengzhuanLED = 0;/正转慢速if(mansu = 0)mansuLED = 0; for (i=0; i<4; i+) P1 = ZZi; delay(100); mansuLED = 1;/正转中速if(zhongsu = 0)zhongsuLED = 0; for (i=0; i<4; i+) P1 = ZZi; delay(80); zhongsuLED = 1;/正转快速if(kuaisu = 0)kuaisuLED = 0; for (i=0; i<4; i+) P1 = ZZi; delay(40); kuaisuLED = 1;/正转超快速if(chaokuaisu = 0)chaokuaisuLED = 0; for (i=0; i<4; i+) P1 = ZZi; delay(10); chaokuaisuLED = 1;zhengzhuanLED = 1;/反转子程序void nrun()unsigned int j;fanzhuanLED = 0;/反转慢速if(mansu = 0)mansuLED = 0; for (j=0; j<4; j+) P1 = FZj; delay(100); mansuLED = 1;/反转中速if(zhongsu = 0)zhongsuLED = 0; for (j=0; j<4; j+) P1 = FZj; delay(80); zhongsuLED = 1;/反转快速if(kuaisu = 0)kuaisuLED = 0; for (j=0; j<4; j+) P1 = FZj; delay(40); kuaisuLED = 1;/反转超快速if(chaokuaisu = 0)chaokuaisuLED = 0; for (j=0; j<4; j+) P1 = FZj; delay(10); chaokuaisuLED = 1;fanzhuanLED = 1;/主程序main() while(1) if(kaiguan = 0) kaiguanLED = 0; if(zhengzhuan = 0) prun(); if(fanzhuan = 0) nrun(); else kaiguanLED = 1;